Foto: panthermedia.net/Andriy Popov
Es gibt einen Trend in der Gesundheits- und Fitnessbranche, der nicht nur anhält, sondern tendenziell sogar weiterwächst. Wearables, die kontinuierlich Biosignale überwachen, gehören bei vielen Menschen zum Alltag – sei es als Unterstützung beim Sport oder sogar als medizinisches Hilfsmittel. Schätzungen zufolge wird der Marktwert dieser tragbaren elektronischen Geräte bis zum Jahr 2033 auf mehr als 572 Milliarden US-Dollar wachsen (fast 529 Milliarden Euro). Mit der steigenden Nachfrage der praktischen Alltagsbegleiter geht auch der Bedarf an hochwertigen Bioelektroden einher, die in der Lage sind, Biosignale über einen längeren Zeitraum exakt aufzuzeichnen.
Die derzeit eingesetzten Materialien der Bioelektroden, darunter Metalle, leitfähige Polymere und Hydrogele, stoßen aktuell häufig noch an ihre Grenzen. Es mangelt ihnen dabei vor allem an ausreichend Flexibilität, um sich der Haut adäquat anzupassen, ohne zu brechen oder reißen. Darüber hinaus lassen sie Feuchtigkeit nicht besonders gut durch, was zu vermehrter Schweißbildung führen kann. Daraus resultiert, dass Menschen solche Wearables nicht gern über einen längeren Zeitraum am Handgelenk tragen.
Innovative Wearable-Bioelektroden: dehnbar und atmungsaktiv
Ein Forscherteam vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) unter der Leitung von Tatsuhiro Horii, Assistenzprofessor in der Abteilung für Biowissenschaften und -technologie, und Toshinori Fujie, Associate Professor in der Abteilung für Biowissenschaften und -technologie, hat sich dieser Herausforderung angenommen. In einer Studie hat das Team ein neuartiges Bioelektrodenmaterial für Wearables präsentiert, das sich vor allem durch Dehnbarkeit, Feuchtigkeitsdurchlässigkeit und eine enge Anlehnung an die Haut auszeichnet.
Das innovative Material setzt sich aus Schichten leitfähiger Fasernetzwerke zusammen, die aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs) auf einer dehnbaren Poly(Styrol-b-Butadien-b-Styrol) (SBS)-Nanobahn bestehen. Während sich das Nanoblatt eng an die Hautoberfläche schmiegt und präzise Biosignalmessungen ermöglicht, sorgen die Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren dafür, dass das Material dehnbar und feuchtigkeitsdurchlässig bleibt.
Wearable-Elektroden: Anpassungsfähig und flexibel
“Selbsttragende Elektroden, die sich dehnbar, feuchtigkeitsdurchlässig und anpassungsfähig zu den Strukturen der Hautoberfläche zeigen, werden benötigt, um die natürliche Verformung der Haut zu ermöglichen, ohne dabei die Körperbewegungen einzuschränken“, betont Horii die Bedeutung dieser Eigenschaften für Wearables.
Die Forschenden erzeugten insgesamt mehrere Schichten mit einer Gesamtdicke von nur 431 Nanometer (nm). Das gelang ihnen, indem sie SWCNTs in wässriger Dispersion auf SBS-Nanoblätter auftrugen. Jede zusätzliche SWCNT-Schicht beeinflusste die Eigenschaften der Bioelektrode: Sie erhöhte sowohl die Dichte als auch die Dicke der Fasern. Trotz der zunehmenden Steifigkeit bei steigender Schichtanzahl behielt die Bioelektrode an dem Wearable ihre Flexibilität bei.
Hohe Wasserdampfdurchlässigkeit verhindert Schweiß bei Wearables
Eine weitere zentrale Anforderung an Bioelektroden für Wearables ist eine hohe Wasserdampfdurchlässigkeit. Sie sorgt dafür, dass übermäßige Schweißbildung während des Tragens und vor allem während eines Trainings verhindert wird. Die faserige Netzwerkstruktur der Kohlenstoff-Nanoröhren erweist sich hier als besonders vorteilhaft, da sie atmungsaktiver ist als zum Beispiel andere Oberflächenstrukturen. Experimente zur Messung der Wasserdampfdurchlässigkeit ergaben, dass Kohlenstoff-Nanoröhren in dreifacher Schicht eine doppelt so hohe Wasserdampfübertragungsrate (WVTR) aufweisen im Vergleich zu normaler Haut.
Auch bei längerem Gebrauch zeigt sich das Material der Bioelektroden für Wearables äußerst widerstandsfähig. Tests, bei denen die Bioelektroden in künstlichen Schweiß getaucht und immer wieder Biegungen ausgesetzt wurden, ergaben nur geringfügige Widerstandsänderungen. Selbst nach zehnmaligem Reiben lösten sich die dreifachen Schichten der Kohlenstoff-Nanoröhren kaum bis gar nicht ab. Das zeige, wie gut geeignet sie für eine längere Verwendung seien. In der Praxis erwiesen sich diese SWCNT-SBS-Nanoblätter als ebenso leistungsfähig wie handelsübliche Bioelektrodenmaterialien.
Die Forschenden testeten auch Greifbewegungen: Bei Oberflächen-Elektromyographie-Messungen (sEMG) am Unterarm erreichten sie ähnliche Signal-Rausch-Verhältnisse wie herkömmliche Ag/AgCl-Gelelektroden, die für elektrochemische Analyseverfahren eingesetzt werden. „Wir haben hautkonforme Bioelektroden mit hoher Wasserdampfdurchlässigkeit erhalten, die bei sEMG-Messungen eine vergleichbare Leistung wie herkömmliche Elektroden zeigten“, resümiert Fujie und unterstreicht das vielversprechende Potenzial des Materials für Wearables im Gesundheitsbereich.
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